文/周天朗，劉仁培，沈泳華，常超，仝安乾·南京航空航天大學(xué)

葉片熱作模具磨損及應(yīng)力場(chǎng)研究

文/周天朗，劉仁培，沈泳華，常超，仝安乾·南京航空航天大學(xué)

周天朗，碩士，主要從事研究葉片熱鍛模具的成形及失效。

葉片熱作模具在服役過(guò)程中易出現(xiàn)磨損及開(kāi)裂失效，嚴(yán)重影響了葉片模具的使用壽命。為了提高模具的使用壽命，需要深入研究熱鍛模具的磨損及應(yīng)力分布。本文使用成形分析軟件對(duì)葉片熱作模具鍛造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其磨損及應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)磨損量最高的區(qū)域?yàn)槟＞叩臉虿?，這主要是由于該位置在葉片鍛造過(guò)程中金屬的流速過(guò)快、應(yīng)力較大；葉身與葉根連接處所對(duì)應(yīng)的型腔區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，處于該區(qū)域內(nèi)的脆性裂紋易失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致發(fā)生開(kāi)裂失效。

葉片熱作模具材料費(fèi)用高、加工難度大、精度要求高，其使用壽命很大程度上決定了零件的加工成本與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在熱鍛成形過(guò)程中，模具與工件材料表面接觸后的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生摩擦并產(chǎn)生磨損，造成模具表層材料的損耗，而應(yīng)力過(guò)大的地方會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，這些失效嚴(yán)重影響了模具的使用壽命。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在熱鍛成形過(guò)程中，因磨損和裂紋而導(dǎo)致熱鍛模具失效的情況為80%，其余失效情況為塑性變形。所以，對(duì)于長(zhǎng)期承受機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的熱鍛模具，磨損和開(kāi)裂是影響其使用壽命的主要因素。因此，減少熱鍛模具在葉片生產(chǎn)過(guò)程中的磨損和開(kāi)裂，是提高熱鍛模具壽命的關(guān)鍵所在。國(guó)外很多學(xué)者都對(duì)失效工作做了大量的研究，Siamak考慮到熱鍛模具的機(jī)械應(yīng)力與溫度因素，綜合研究了熱鍛模具的磨損，以此提出熱鍛模具在處于高溫高載荷工況時(shí)的性能要求；Fujikawa采用熱力耦合法模擬了正擠壓模在擠壓過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)，并將模具和工件一同視作變形體。

另外，關(guān)于鍛模的負(fù)荷及受損情況的有限元模擬，國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者進(jìn)行了研究。上海交通大學(xué)阮雪榆院士采用有限元迭代法研究分析了熱鍛過(guò)程中模具溫度場(chǎng)的變化情況。重慶大學(xué)的周杰基于Archard理論模型，對(duì)模具初始硬度以及摩擦因子等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了影響模具磨損程度的規(guī)律；河南科技大學(xué)的唐六丁和張學(xué)賓以模具應(yīng)力集中處的最大局部應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)橐罁?jù)，預(yù)測(cè)了熱鍛模具的壽命。本文介紹了運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)葉片熱作模具鍛造全過(guò)程進(jìn)行磨損及應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可進(jìn)行葉片鍛造參數(shù)的優(yōu)化及指導(dǎo)葉片熱作模具的堆焊修復(fù)，最終達(dá)到提高葉片模具壽命的目的。

材料和方法

葉片及模具材料

葉片材料為17-4PH馬氏體不銹鋼合金，其具有高強(qiáng)度、高硬度和抗腐蝕等特性。葉片坯料及模具形狀如圖1所示。

圖1 葉片坯料及模具形狀

經(jīng)過(guò)熱處理后，葉片的力學(xué)性能進(jìn)一步提高，耐壓強(qiáng)度可以達(dá)到1100～ 1300MPa。它對(duì)大氣及稀釋酸或鹽都具有良好的抗腐蝕能力。17-4PH不銹鋼主要力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 17-4PH合金不同溫度下力學(xué)性能

模具的材料為5CrNiMo，此鋼具有良好的韌性、強(qiáng)度和高耐磨性。鍛壓設(shè)備為35000kN鍛壓機(jī)，被加工坯料為17-4PH鋼，鍛造葉片前模具預(yù)熱至240℃，葉片坯料加熱至1120～1150℃之間，終鍛溫度需高于850℃，葉片坯料與模具接觸約4s，葉片模具型腔的瞬時(shí)溫度可增高至500℃，該過(guò)程中噴石墨潤(rùn)滑冷卻一次。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

模具磨損失效數(shù)值模擬

運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)上模、下模及坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了使結(jié)果更為精確，下模需劃分更密的網(wǎng)格。上模共劃分50000個(gè)網(wǎng)格，生成49153個(gè)單元，10923個(gè)節(jié)點(diǎn)；下模共劃分80000個(gè)網(wǎng)格，生成90124個(gè)單元，19413個(gè)節(jié)點(diǎn)；葉片坯料共劃分30000個(gè)網(wǎng)格，共成22182個(gè)單元，5539個(gè)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分情況

模擬參數(shù)設(shè)置

葉片坯料的材料為17-4PH(美國(guó)牌號(hào)），即馬氏體不銹鋼，對(duì)應(yīng)中國(guó)牌號(hào)0Cr17Ni4Cu4Nb。模具的材料為5CrNiMo，是韌性良好、硬度較高、耐磨性較好的合金鋼。在模擬過(guò)程中，模具的預(yù)熱溫度為240℃，葉片坯料的初始溫度為1140℃，環(huán)境溫度為20℃，模具與葉片坯料表面的摩擦因子為0.3，上模下壓速度為300mm/s，接觸傳熱系數(shù)為10W/℃。整個(gè)熱鍛模擬過(guò)程分為60步，步長(zhǎng)為2.5mm，總行程為130mm。模具在模擬成形過(guò)程中設(shè)為剛性體，在分析模具磨損時(shí)設(shè)為塑性體。

模具磨損量分析

下模在終鍛模擬過(guò)程中最終磨損量分布如圖3所示。由圖3可以看出，兩邊橋部位置的磨損量較大，型腔表面其他位置的磨損量較小。其中，葉根與葉冠型腔的磨損量較小，葉身型腔磨損量較大，最大磨損量為2.40×10-4mm。葉片成形過(guò)程中模具的載荷變化曲線如圖4所示。

圖3 下模磨損量分布情況

圖4 模具載荷變化曲線

由圖4可以看出，成形過(guò)程中，開(kāi)始載荷較小，這是由于葉片坯料與型腔接觸較少，所以型腔磨損量較??；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，葉片坯料開(kāi)始發(fā)生塑性變形，載荷增加，葉片坯料金屬流速增加，型腔磨損開(kāi)始增大；成形的后期，坯料充滿型腔，金屬流動(dòng)受到橋部阻礙，難以流動(dòng)，載荷繼續(xù)增加，所有型腔表面的磨損也繼續(xù)增加。

為了進(jìn)一步分析模具磨損情況，將第60步模具磨損圖的葉身型腔放大，選取A到B共20個(gè)點(diǎn)，對(duì)磨損量進(jìn)行分析。葉身型腔放大圖如圖5所示。所取點(diǎn)到A點(diǎn)的距離用橫坐標(biāo)表示，所取點(diǎn)在第60步時(shí)的磨損量用縱坐標(biāo)表示，葉身型腔20個(gè)點(diǎn)的磨損分布如圖6所示。

圖5 葉身型腔磨損量放大圖

圖6 20個(gè)點(diǎn)的磨損分布圖

由圖6可以看出，最大磨損量出現(xiàn)在B點(diǎn)，并且A點(diǎn)與B點(diǎn)中間節(jié)點(diǎn)的磨損量較小。所以模具橋部的磨損量較大，并且由橋部向中心部位逐漸減少，型腔中心部位的磨損量較小。橋部作為磨損量最大的區(qū)域，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后容易出現(xiàn)磨損失效，所以，橋部是影響模具壽命的重要部位。在實(shí)際生產(chǎn)中，模具磨損失效如圖7所示。從圖7可以看出葉片模具的橋部有明顯的磨損痕跡。

圖7 葉片熱作模具磨損失效照片

模具應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

熱鍛模具在鍛造過(guò)程中，主要承受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷兩種負(fù)荷，這兩種負(fù)荷分別產(chǎn)生熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。有限元分析軟件可進(jìn)行熱力耦合分析，即將同一節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力合成為綜合應(yīng)力，綜合應(yīng)力以等效應(yīng)力的方式表示。成形過(guò)程中下模等效應(yīng)力分布情況如圖8所示。

隨著上模往下運(yùn)動(dòng)，葉片坯料與下模逐漸接觸。這個(gè)過(guò)程決定了下模應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)逐漸變化的過(guò)程。葉片坯料在葉根及葉冠所對(duì)應(yīng)的型腔內(nèi)最先發(fā)生變形，并且隨著鍛造過(guò)程的進(jìn)行，型腔內(nèi)的節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力值由小變大，在鍛造結(jié)束（即第60步）時(shí)達(dá)到最大值。圖9為該區(qū)域在60步時(shí)的放大視圖。

圖8 葉片下模等效應(yīng)力場(chǎng)變化情況

圖9 第60步時(shí)下模型腔局部應(yīng)力場(chǎng)放大視圖

從A到B選取1000個(gè)點(diǎn)來(lái)研究其等效應(yīng)力的分布，以橫坐標(biāo)表示所取點(diǎn)離A點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)表示所取點(diǎn)在第60步的等效應(yīng)力，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，在鍛造過(guò)程中從葉身中部型腔到橋部，等效應(yīng)力逐漸降低，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在A點(diǎn)，最大等效應(yīng)力值為873MPa。葉身與葉根連接處所對(duì)應(yīng)的型腔區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，在鍛造過(guò)程中該區(qū)域最容易發(fā)生失效，應(yīng)當(dāng)引起重視。

圖10 從A點(diǎn)到B點(diǎn)等效應(yīng)力的變化過(guò)程

模具處于高應(yīng)力狀態(tài)下的脆性裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，產(chǎn)生開(kāi)裂如圖11所示。圖11為探傷后模具形貌，可以清晰的看出葉根處開(kāi)裂裂紋。裂紋位于葉片熱作模具葉根鍛造部位，裂紋長(zhǎng)度約為360mm。葉片熱作模具除承受機(jī)械力外，還有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用，組織中不同的相在溫度變化的過(guò)程中產(chǎn)生的性能變化不同，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，葉片模具在急冷急熱溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，因此內(nèi)應(yīng)力過(guò)大是導(dǎo)致模具開(kāi)裂失效最主要的原因。

圖11 葉片熱作模具葉根部位開(kāi)裂失效形貌

結(jié)論

⑴從應(yīng)力場(chǎng)的分布來(lái)看，在鍛造過(guò)程中從葉身中部型腔到橋部區(qū)域，等效應(yīng)力逐漸降低；最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在葉身與葉根連接處所對(duì)應(yīng)的型腔區(qū)域，該區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)型腔內(nèi)等效應(yīng)力最大的區(qū)域，故在鍛造過(guò)程中最易失效，需要高度重視。

⑵通過(guò)葉片熱作模具數(shù)值模擬，可以發(fā)現(xiàn)葉片熱作模具兩邊橋部位置的磨損量較大，型腔表面其他位置的磨損量較??；葉片熱作模具葉根處應(yīng)力較大易發(fā)生開(kāi)裂。

⑶根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，針對(duì)不同的失效形式，可以在生產(chǎn)中指導(dǎo)葉片熱作模具堆焊修復(fù)，如在葉片模具橋部易磨損處堆焊時(shí)，需要用硬度較高的焊材；在葉片模具葉根易開(kāi)裂處堆焊時(shí)，需要用韌性較好的焊材。從而使葉片熱作模具的力學(xué)性能和組織性能得到極大地改善，大大地提高模具的壽命。